[프라임경제]국내 연구진이 분자조립 나노기술을 이용하여 질소 도핑 전도성 탄소나노튜브의 고효율 제조공정을 개발함으로써 플렉서블 디스플레이, 2차 전지 전극 등의 다양한 전자소자 응용이 기대된다고 교육과학기술부(장관 안병만)는 밝혔다.
이번 연구는 교육과학기술부와 한국과학재단이 지원하는 중견연구자지원사업(구 국가지정연구실사업)의 지원을 받아 KAIST 신소재공학과 김상욱(金尙郁, 37세), 이원종(李元鐘, 52세) 교수팀의 연구성과로서, 나노기술분야의 권위지인 미국의 '나노 레터스(Nano Letters)'지 인터넷판으로 3월 13일자에 게재되었다.
□ 탄소나노튜브는 전기적, 물리적 성질이 매우 우수하여 플렉서블 전자소자, 2차전지 전극, 고기능 복합재료 등 다양한 미래기술에 적용될 것으로 알고 있다. 그러나 탄소나노튜브를 이용한 나노소자를 실용화하기 위해서는 전기 전도도를 높이고, 물리적 특성을 결정짓는 직경과 탄소벽의 개수를 원하는 데로 조절할 수 있는 기술 개발이 필요하다.
일반적으로 탄소나노튜브의 전기 전도도를 향상시키기 위해서는 실리콘 등의 반도체 물질에 이용되는 방법과 같이 붕소나 질소 등의 소량의 불순물을 첨가시키는 도핑 기술이 필요하다. 또한, 탄소나노튜브의 직경 및 탄소벽의 개수는 합성에 이용되는 금속 촉매의 크기에 의해 결정되므로 형태가 균일한 나노튜브를 대량으로 성장시키기 위해 균일한 크기의 촉매입자를 기판위에 대면적으로 제조할 수 있는 나노패턴 공정이 요구되어 왔다.
김 교수 연구팀은 분자조립 나노기술을 이용하여 질소가 도핑된 높은 전기전도성의 탄소나노튜브(Carbon Nanotube : CNT)를 탄소벽의 개수를 원하는 대로 조절가능하며 매우 빠른 속도로 합성할 수 있는 새로운 공정기술을 개발했다.
먼저, 김상욱 교수 연구팀은 고분자의 분자조립 나노패턴 기술을 통해 탄소나노튜브의 성장에 필요한 금속 촉매의 크기를 대면적에서 수 옹스트롱(머리카락 굵기의 100만분의 1) 수준으로 균일하게 조절하고 이를 이용하여 탄소나노튜브의 직경 및 탄소벽의 개수를 원하는 대로 조절할 수 있는 기술을 개발했다.
○ 또한, 질소가 도핑되어 일반적인 탄소나노튜브의 2배 이상 정도의 높은 전기 전도도를 보였으며, 화학적 기능화가 용이한 탄소나노튜브를 일반적인 탄소나노튜브 성장속도의 5배 이상인 분당 50마이크로미터의 매우 빠른 속도로 성장시키는데 성공하였다.
김 교수는 “이번 연구 성과를 통해 탄소나노튜브의 물리적 특성을 결정짓는 직경 및 탄소벽의 개수 조절이 가능할 뿐만 아니라 질소도핑을 통해 전기적 전도도를 조절할 수 있는 새로운 제조공정을 개발했다.”며 “향후 탄소나노튜브의 플렉서블 전자소자, 2차 전지 전극, 고기능 복합재료 등의 상용화를 앞당길 수 있는 계기를 마련한 것”이라고 언급했다.
김 교수팀은 그동안 ‘고분자 자기조립 나노기술’에 관련된 일련의 연구 결과들을 네이처지(2003년)와 사이언스지(2005년) 그리고 어드밴스드 머티리얼스지(2008년) 등에 발표해 왔다. 이번 연구 결과로 고분자소재뿐만 아니라 유․무기 혼성소재공정 분야에서도 우수한 역량을 보여주었다. 이번 연구는 김상욱 교수와 이원종 교수의 공동 지도하에 박사과정 이덕현(李德睍, 29세)씨가 진행했다.
